Positronen-Emissions-Tomographie
Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein Verfahren der Nuklearmedizin, das Schnittbilder von lebenden Organismen erzeugt.
Grundlage der PET ist die Darstellung der Verteilung einer radioaktiv markierten Substanz (Radiopharmakon) im Organismus. Dabei werden die Struktur, vor allem aber biochemische und physiologische Vorgänge abgebildet (funktionelle Bildgebung), wie bei der Szintigrafie. Im Gegensatz zur herkömmlichen Szintigraphie verwendet die PET jedoch Radiopharmaka, die Positronen ausstrahlen.
Prinzip
Radiopharmaka
Radiopharmaka (auch Tracer genannt) sind Substanzen, die mit einem Radionuklid markiert sind. In der PET werden unter anderem 18F, 11C, 13N oder 15O verwendet. Das sind radioaktive Isotope der Elemente Fluor, Kohlenstoff, Stickstoff oder Sauerstoff. Mit diesen radioaktiven Isotopen lassen sich Moleküle herstellen, die der Organismus nicht von ihren nichtradioaktiven Pendants unterscheiden kann und die deshalb in den gewöhnlichen Stoffwechsel eingehen. Andere Tracer sind natürlichen Stoffen chemisch zumindest ähnlich. Zum Beispiel wird 18F-Fluor-Deoxyglukose (FDG) von den Zellen wie Glucose aufgenommen, obwohl an einer Stelle des Moleküls eine Hydroxylgruppe durch das Radionuklid 18F ersetzt ist. Da FDG nach der Phosphorylierung nicht weiterverstoffwechselt wird, findet eine Anreicherung in der Zelle statt. Anhand des Zerfalls von 18F kann FDG aufgespürt werden. Die Verteilung von FDG im Körper erlaubt Rückschlüsse auf den Glucosestoffwechsel verschiedener Gewebe. Dies ist besonders für die frühe Diagnose von Krebserkrankungen von Vorteil, da eine Tumorzelle typischerweise aufgrund eines erhoehten Stoffwechsel viel Glucose verbraucht und dementsprechend FDG anreichert.
Radionuklide
Für die PET eignen sich solche Radionuklide, die beim Zerfall Positronen aussenden (β+-Zerfall). Ein Positron tritt nach kurzer Distanz (durchschnittlich ca. 2-3 mm) in Wechselwirkung mit einem Elektron (sog. Annihilation). Dabei werden beide Teilchen vernichtet, und es entstehen zwei Photonen (Gammastrahlung), die sich in einem Winkel von ungefähr 180° voneinander fortbewegen. Diese Vernichtungsstrahlung trifft gleichzeitig an zwei Stellen des Detektorrings auf und ermöglicht so den Nachweis und eine Schätzung der Lokalisation der Positronenemission.
Bilderzeugung
Das Radiopharmakon wird dem Probanden per Injektion oder Inhalation verabreicht. Der Proband wird auf einem beweglichen Tisch so positioniert, dass der zu untersuchende Körperabschnitt im Zielbereich der Detektoren liegt. Das Herzstück des PET-Scanners besteht aus einigen hundert ringförmig angeordneten γ-Detektoren (im allgemeinen aus Wismutgermanat), die in Koinzidenz geschaltet sind: Werden zwei γ-Quanten nahezu gleichzeitig detektiert (d.h. während eines Zeitfensters von ca. 10 Nanosekunden), wird dies als Positron-Elektron-Vernichtung auf der gedachten Linie zwischen den signalgebenden Detektoren angenommen (sogn. Line Of Response bzw. Koinzidenz).
Aus einer Vielzahl solcher Ereignisse kann ein Schnittbild und ein dreidimensionales Modell berechnet werden. Die Auflösung eines PET-Scanners ist höher als die einer herkömmlichen szintigrafischen Gammakamera, und wegen der gerichteten Strahlung kann er auf dicke Bleikollimatoren verzichten.
PET/CT
Ein Problem der PET ist die schlechte Ortsauflösung (ca. 5 mm), die ohne zusätzliche Strahlenbelastung nicht mehr gesteigert werden kann. Seit einigen Jahren bieten deshalb verschiedene Hersteller (Siemens, Philips, General Electric) Geräte an, die einen PET-Scanner mit einem Computertomografen (CT) kombinieren. Für die nahe Zukunft ist dies auch mit MRT-Geräten geplant. Der Patient wird unmittelbar hintereinander durch beide Detektorringe (Gantries) gefahren. Die entstehenden Bilder werden im Computer fusioniert; meist wird die CT-Information schwarzweiss, und die PET-Information farbig überlagert. Diese Methode kombiniert die hohe Ortsauflösung (ca. < 1 mm) einer CT mit der funktionellen Information aus der PET.
Wegen der höheren Kosten eines PET/CT-Scanners (s. u.) wird stattdessen oft mittels moderner Software eine Überlagerung (sogenannte Soft-Fusion bzw. Koregistrierung) von CT-Bildern und PET-Daten berechnet; mithilfe gemeinsamer Referenzpunkte wie z.B. Knochenstrukturen. Das ist auch mit MRT-Bildern möglich. Je nach Einsatzgebiet ist die "hard-fusion" mittels PET/CT-Scanners oder die "soft-fusion" vorzuziehen.
Anwendungen
In der Klinik ergänzt die PET die stärker strukturell orientierten bildgebenden Verfahren der diagnostischen Radiologie:
- Onkologie: Das Radiopharmakon FDG wird von vielen bösartigen Tumoren angereichert (metabolic trapping). Daher eignet sich FDG-PET zur Diagnose, Stadienbestimmung und Verlaufsbeobachtung von Krebserkrankungen.
- Neurologie: Zur Funktionsuntersuchung des Gehirns wird dem Probanden Sauerstoff-15 zur Inhalation gegeben. Anschließend lässt sich die Durchblutung des Gehirns in der PET abbilden. Höhere Durchblutung in einem Hirnareal lässt auf höhere neuronale Aktivität schließen. Häufiger wird FDG eingesetzt, um die Stoffwechselaktivität des Gehirns zu beurteilen. Beispiel: Gottesmodul
- Kardiologie: FDG-PET kann zum Nachweis chronisch minderdurchbluteter Bereiche innerhalb des Herzmuskels herangezogen werden.
In der Forschung findet das Verfahren breiten Einsatz wegen seiner Möglichkeiten der Darstellung biochemischer Vorgänge (molecular imaging).
Kosten
PET gehört nicht nur zu den effektivsten, sondern auch zu den teuersten bildgebenden Verfahren in der modernen Medizin. Die Kosten einer PET Untersuchung betragen ca. 1000,- €, die einer PET/CT bis zu 1700€. Die gesetzliche Krankenversicherung in Deutschland übernimmt diese Kosten, im Gegensatz zur Praktik in anderen europäischen Staaten, in der Regel nicht.
Grenzen
Da PET auf der Verabreichung einer radioaktiven Substanz beruht, muss die Indikation wie bei jedem invasiven (eindringenden) Verfahren zurückhaltend gestellt werden.
Die verwendeten Radionuklide sind kurzlebig (Halbwertzeit z.B. Fluor-18: 110 min, C-11: 20 min). Sie müssen daher für eine konkrete Untersuchung zeitnah produziert werden und können nicht sehr weit transportiert werden. Daher muss zusätzlich zum Scanner meist ein Teilchenbeschleuniger eingerichtet werden, was hohe Anschaffungs- und Betriebskosten mit sich bringt.
Zukünftige Entwicklungen
Experimentelle Entwicklungen zur Steigerung der Ortsauflösung von PET sind - bisher nur anwendbar für kleine Tiergehirne (Ratten) - bis zur praktischen Anwendung fortgeschritten; hier ist die internationale Zusammenarbeit von Forschungsinstituten mit Namen CRYSTAL CLEAR zu nennen, die eine neue Generation von Scannern entwickelt haben. Ortsauflösungen von ca. < 1,6 mm sind erreichbar (Cern Courier, vol.45, Nr. 6, July/August 2005, p. 27, 28; s.a. [1], [2], [3]).
Eine weitere aktuelle, derzeit noch in der Entwicklung befindliche Methode zur Steigerung der Auflösung bei der PET ist der Ansatz des sog. "Time of Flight PET". Dabei wird versucht innerhalb des typischen Koinzidenzfensters von etwa 10ns die Zeitdifferenz zwischen dem Auftreffen der beiden γ-Quanten messbar zu machen. Somit könnte nicht nur eine Aussage über den Verlauf der Line-Of-Response getroffen werden, sondern auch über die etwaige Position der stattgefundenen Annihilation auf dieser Linie. Dies würde insbesondere die momentan recht aufwendigen analytischen sowie iterativen Bildrekonstruktionsverfahren vereinfachen und neue Wege im Bereich der verbesserten Bildbearbeitung bei der PET ermöglichen.
Forschungseinrichtungen
In Deutschland befassen sich folgende Forschungseinrichtungen mit der Weiterentwicklung und den Grenzen der PET:
Ähnliche Verfahren
Weblinks
- Let's Play PET - Sehr gut illustrierte Einführung zu PET (englisch)
- Möglichkeiten und Grenzen
